第二章 机械部分XY工作台及Z轴的基本结构设计
2.1 XY工作台的设计
2.1.1主要设计参数及依据
1、 设计可沿X向和Y向数控运动的工作台；
2、 数控运动驱动力源可以采用步进电机或交流伺服电机驱动，但是所选电
机必须与该电机生产厂所列技术数据一致； 3、 工作台尺寸400×250mm（X / Y）； 4、 工作台工作行程为：300×150mm（X /Y）； 5、 脉冲当量：X向0.01mm/脉冲；Y向0.01mm/脉冲； 6、 X/Y向最高工作进给速度：300mm/min； 7、 X/Y向最高空载快进速度：700mm/min； 8、 X/Y/Z向切削负载为：2000/2000/1000N； 9、 工件最大重量（包括夹具）为：150KG； 10、工作寿命每天8小时，连续工作5年，250天/年 2.1.2 XY工作台部件进给系统受力分析
因机床工件之间不直接接触,因此可以认为在加工过程中没有外力负载作用。其切削力为零。
XY工作台部件由工作台、中间滑台、底座等零部件组成,各自之间均以滚动直线导轨副相联,以保证相对运动精度。
设下底座的传动系统为横向传动系统，即X向，上导轨为纵向传动系统，即Y向。
一般来说,数控机床的滚动直线导轨的摩擦力可忽略不计,但滚珠丝杠副,以及齿轮之间的滑动摩擦不能忽略,这些摩擦力矩会影响电机的步距精度。另外由于采取了一系列的消隙、预紧措施,其产生的负载波动应控制在很小的范围。 2.1.3初步确定XY工作台尺寸及估算重量
初定工作台，材料为HT200，估重为625N (W1)。 设中托座,材料为HT200，估重为250N（W2）。 另外估计其他零件的重量约为250N (W3)。 加上工件最大重量约为120Kg（1176N）(G)。
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则下托座导轨副所承受的最大负载W为: W=W1+W2+W3+G＝665+250+250+1176＝2301N
2.2 Z轴随动系统设计
数控十字工作台对Z轴随动机构要求非常高。在切割中需随时检测和控制切割表面的不平度，通过伺服电机和滚珠丝杆调整高度，要求Z轴的检测精度高于0.010mm：同时，随动速度应大于5m/min。随动速度太快会造成切割头上下震荡，太慢又造成切割头跟不上的现象。目前。对加工板材的检测主要有电容、电感、电阻、激光、红外等几种方式。电感式和电阻式属于传感器，激光、红外及电容式属于非接触式传感器。电容式传感器在运动检测过程中不发生摩擦阻力，最适于金属板材和高速切割加工，而激光和红外位移传感器对加工材料的反射率很敏感，仅适用于一些特殊场合的切割加工(如强磁场、强干扰环境)。所以在选择传感器时，应注意检测精度和对切割材料的适应性，同时安装时还需要注意采取抗干扰措施。一般来说，普通数控数控十字工作台Z轴拖动重量在5kg以上时，应采用重力平衡设施。而高性能数控数控十字工作台的Z轴拖动重量在2kg以上就必须施加重力平衡设施，特别是在高速飞行光路设计中,这一点尤为重要。目前Z轴上的重力平衡设施使用较多的是采用气缸托动方式(图2-1)。该方式重量轻、体积小、易安装，还可根据要求调整气缸的平衡力。
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第三章 滚珠丝杠传动系统的设计计算
（一） 根据机床的受力情况及结构尺寸，参照南京工艺装备厂的产品系列，选
用FFZD内循环垫片预紧螺母式滚珠丝杆，具体型号如下：
X向： FFZD 2504-3/490×500 Y向： FFZD 2504-3/500×1100
（二） 因X向的滚珠丝杆比Y向的滚珠丝杆所受的负载大，现只计算X向丝杆
的相关数据，Y向根据X向的结果相同选用即可满足要求。
（三） 具体计算如下。
3.1 滚珠丝杠副导程的确定
轴向负荷计算公式：
Fa=F+UW （3.1）
式中F—— 切削力，F=0
W——工件重量加工作台重量 W=2301N
U——滚动导轨上的滚动摩擦系数（约为0.003-0.004），取U=0.004 则根据式（3.1）：
Fa = 0.004×2301=92N
数控十字工作台滚珠丝杠是在低速条件下工作的。
故本处的 Go=（0.2-0.3），Fa =18.4-27.6N。对照样本参数,这里的Go非常小，选定导程为4的滚珠丝杠副。
3.2 滚珠丝杠副的传动效率
滚珠丝杠副的传动效率为:
??tg?/tg(???') （3.2）
式中ψ—滚珠丝杠的螺纹升角
ρ＇—当量摩擦角
根据当量摩擦系数和当量摩擦角关系（见表3-1），前面已经定v=1m/s，材料选择灰铸铁HRC≥45。
所以：ρ＇=4°00′，tgρ＇=0.0025 ；
因为ψ=arctg（Ph/πd） （3.3）
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式中:Ph—导程，4mm d——丝杠公称直径，25mm
则根据式（3.3）：
ψ＝2.91°
则根据式（3.2）得：η＝0.953。
表3-1 当量摩擦系数f＇和当量摩擦角ρ＇
齿圈材料 齿面硬度 相对速度 υs m/s 0.01 0.05 0.10 0.25 0.50 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 4 5 8 10 15 24 0.110 6°17′ 0.120 6°51′ 0.180 0.090 5°09′ 0.100 5°43′ 0.140 0.080 4°34′ 0.90 5°09′ 0.130 10°12′ 7°58′ 7°24′ 5°43′ 5°09′ 4°00′ 3°43′ 3°09′ 2°52′ 2°35′ 2°17′ 2°00′ 1°43′ 0.180 0.140 0.130 0.100 0.090 0.070 0.065 0.055 10°2′ 7°58′ 7°24′ 5°43′ 5°09′ 4°00′ 3°43′ 3°09′ 0.190 0.160 0.140 0.120 0.100 0.090 0.080 0.070 10°45 9°05 7°58′ 6°51′ 5°49′ 5°09′ 4°34′ 4°00′ 锡 青 铜 HRC≥45 其它 无锡青铜 HRC≥45 HRC≥45 灰铸铁 其它 f＇ ρ＇ f＇ ρ＇ f＇ ρ＇ f＇ ρ＇ f＇ ρ＇ 0.065 3°43′ 0.075 4°17′ 0.100 0.055 3°09′ 0.065 3°43′ 0.090 0.045 2°35′ 0.055 3°09′ 0.070 0.040 2°17′ 0.05 2°52′ 0.065 0.035 2°00′ 0.045 2°35′ 0.055 0.030 1°43′ 0.040 2°17′ 0.05 0.028 1°36′ 0.035 2°00′ 0.045 0.024 1°22′ 0.031 1°47′ 0.040 0.022 1°16′ 0.029 1°40′ 0.035 0.018 1°02′ 0.026 1°29′ 0.016 0°55′ 0.024 1°22′ 0.014 0°48′ 0.020 1°09′ 0.013 0°45′ 0.03
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